替代能源

历史学家Norman F. Cantor描述了中世纪后期煤炭作为当时的替代能源，把整个社会从对木材过度消耗的危机中拯救了出来：

“在中世纪的前几个世纪，欧洲人居住在广袤的森林中。1250年后，他们大肆砍伐森林，到了1500年，用于做饭和取暖的木材已经十分缺乏了。截止到1500年，欧洲正处于能源和营养危机的边缘，直到16世纪烟煤的发现以及玉米和马铃薯种植才化解了这场灾难。”[11]

19世纪早期，鲸油是当时主要的润滑油和照明燃料，到19世纪中期，人类对鲸鱼的大量捕杀导致鲸鱼数量急剧减少，鲸油价格扶摇直上，但也为石油的引进提供了时机，首批商品化的石油出现在1859年的宾夕法尼亚州[12]。

1917年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔提倡使用从玉米、小麦和其他农作物中提取的乙醇作为煤和石油的替代能源，并声称人类离化石燃料用尽的那一天已经不远了。在贝尔看来，需要替代能源是因为现有的主要能源再生能力都不强[13]。从20世纪70年代开始，巴西就制定了乙醇燃料项目，并成为仅次于美国的世界第二大乙醇生产国和世界上最大的乙醇出口国[14]。在该项目中，巴西使用现代化的生产设备，将廉价的糖蔗作为原料，把剩下的蔗渣用来供热和发电[15]，此后，巴西的街道上再也没有完全依靠石油驱动的轻型车。到2008年底，巴西全国至少配有一个乙醇燃油加油泵的加油站已有35000家[16]。

纖維素乙醇能从众多原料中生产出来，并且能提高农作物的利用率。由于产出的有用原料增多，而一些养分密集型肥料和杀菌剂的使用量保持不变，所以这种新的方法能够提升农作物总产量，并减少碳足迹[17][18]。2008年，美国已有九家在建或已投入生产的商用纤维素乙醇工厂[19]。

第二代生物燃料技术能够从非食用生物中生产燃料，因此能够尽量避免将食物变为燃料[20]。截至2010年7月，丹麦已有一家第二代（2G）商用乙醇燃料工厂（因必肯生物炼油厂）在运行生产[21]。

20世纪70年代，吉米·卡特总统的政府提倡用煤的气化气化煤代替昂贵的进口石油，但是80年代的石油价格急剧下跌让该计划宣告破产，同时遭殃的还有人造燃料公司（一家政府出资成立的新能源开发公司），实际上，气化煤的碳排放量和造成的环境污染也是不容小觑的。

一些如生物质这样的可再生能源被看做是对生态有害的化石能源的替代品， 但可再生能源并不是一开始就被当做替代能源的。比如说，荷兰曾是把棕榈油当做生物燃料使用的大国，但现在却取消了所有对棕榈油的补助，因为有科学证据表明棕榈油的使用有时可能会对环境产生比化石燃料还要大的危害[24]。目前， 为了给民众一个交代，荷兰政府和一些环保组织正在努力追踪进口棕榈油的来源，以查清这种燃油是怎么生产出来的[24]。至于用农作物生产生物燃料的方法，现实情况是，就算把全美国收获的所有谷物物都用来生产生物燃油，结果也仅能满足16%的汽车用油需求。为了生产生物燃料，巴西能够吸收大量CO
2的热带雨林已经遭到极大破坏，这些无疑是让粮食市场与能源市场竞争，其结果必然是食品价格上涨，对一些环境问题，如全球变暖也是百害而无一利，还会提高本国对外国能源的依赖性[25]。最近，人们陆续发现了一些能够取代这些名声不太好的可持续燃料的能源，如可用于商业用途的纤维素乙醇。

碳中性燃料是一种利用氢化反应废料、发电厂排放气体中的二氧化碳、汽车尾气以及海水中的碳酸来生产的合成燃料包括甲烷、汽油、柴油、航空煤油或者氨[26][27]。一些商用合成燃料公司表示，如果油价超过55美元每桶，那么合成燃料生产的成本就会低于石油生产成本[28]。可再生甲醇（RM）是由氢和二氧化碳在氢化反应下生成的一种燃料，并且氢是从水电解中得到的。这种燃油可以掺在运输燃料中或者用作化工原料来加工[29]。

冰岛格林达维克国际碳回收公司旗下的乔治·欧拉二氧化碳回收工厂从2011年起每年都能从Savrtsengi发电厂排放的废气中生产出200万升车用甲醇燃油[30]，它的年产量可达到500万升[31]。 在德国的巴登-符腾堡州，由太阳能与氢能研究中心和弗劳恩霍夫协会共同建造的一个250千瓦的甲醇合成燃料工厂在2010年开始生产，目前正在向千万瓦级扩建，预计将于2012年秋完成[32][33]。奥迪公司也在德国埃姆斯兰县的Werlte镇建造了一家碳中和液化天然气（LNG）厂[34]，旨在生产出能够抵消它们的A3跑车克特隆型车所消耗的液化天然气的车用燃油。按照该工厂最初的生产力，它每年可减少2800公吨的CO₂排放量[35]。在南卡罗莱纳州的哥伦比亚[36]、加利福尼亚州的卡马里奥[37]和英格兰的达灵顿等地也出现了类似的加工工厂[38]。

環境經濟學系列之一
環境經濟學
碳訂價 碳信用 碳交易 碳費和股息 碳金融 * 碳补偿 碳税 排放權交易 生態稅 个人碳交易 庇古税 碳的社會成本
氣候變遷 碳足跡 氣候變遷減緩 食物里程
概念 亮綠色環境保護主義 循環經濟 去成長 生态商务 生態創新 * 生態經濟學 生態現代化 生態技術 环保企业 环境金融 财政环保主义 绿色会计 綠色開發 綠色經濟 绿色增长 绿色就业 绿色悖论 * 绿色复苏 绿色贸易 邊際減排成本曲線 自然资源经济学 污染避難所假說 永續設計 永續發展 可持续旅游 熱經濟學 地球值多少錢
能源移轉 * 2000瓦社会 碳中和 碳中性燃料 環境科技 上網電價補貼政策 化石燃料淘汰 低碳經濟 淨計量電價 可再生能源商業化 永續能源
政策 氣候融資 碳泄漏 綠色投資 环境价格改革 環保關稅 免费公共交通 綠色產業政策 綠色新政 綠色政治 鐵路補貼

这些能源被看做是碳中性能源，因为它们不会导致温室气体含量的净增加[39]。就合成燃料代替化石燃料来说，或者从它们以废弃的碳或海水中碳酸为原料[40]以及它们的氧化要依赖排气管中的“碳捕捉”来看，碳中性燃料能够减少二氧化碳排放及大气中二氧化碳的净含量，因此有望成为温室气体修复的新方法[41]。

这些可再生能源减少了对进口化石燃料的支出和依赖，并且无需将交通工具电动化或求助于氢转化及其他燃料，让相应的大众交通工具得以继续发展[42]。碳中性燃料的存储成本相对较低，能够减轻风能和太阳能的间歇性问题，还能将风能、水能、太阳能通过现有的天然气管道输送出去[42]。

夜间风力发电厂被认为是进行燃料合成最经济的能源形式，因为负荷曲线会在一天中最温暖的时候急剧上升至顶峰，然而夜间风力通常会比白天的风力稍强一点，所以夜间风力发电厂的生产成本比任何替代能源的生产成本都要低[42]。德国已经建造了一个250千瓦的合成燃料工厂，目前正在扩建为10000千瓦[32][33][43]。

藻類生質燃料是从海藻中得到的生物燃料。在光合作用时，海藻与其他光合生物将吸收的二氧化碳和阳光转化为氧气和生物质能。藻类生质燃料的好处在于它可以进行工业生产，因此可以避免占用耕地和使用粮食作物（比如大豆、棕榈、油菜等），而且同其他的生物燃料资源相比，它的产油量也更高。

生物质成型燃料在发展中国家是作为木炭的替代品来开发的。该技术能将几乎所有的植物转变为压缩型煤，其中所含的热值通常是木炭的70%。世界很少有大规模生产生物质成型燃料的例子，刚果民主共和国东部的基伍省便是其中一个，那里的人们为了生产木炭毁坏了大量森林，对山地大猩猩的生存环境构成了极大威胁。維龍加國家公園的工作人员已经成功培训并部署了超过3500名员工来生产生物质成型燃料，以此来取代公园内非法制造的木炭，同时也为受冲突影响而生活极端贫困的人们提供了工作机会。[44]

沼气发酵利用的是废料分解时释放的甲烷气体，这种气体能够在垃圾或下水道中收集。沼气池能利用细菌在厌氧环境下分解生物质产生甲烷[45]。沼气经过收集和提炼后，可以作为多种产品的能量来源。

氢气是一种完全意义上的清洁能源；燃燒它的唯一副产品就是水[46]。和其他燃料相比，由于它的化学结构独特，它所含的能量也相对较多[47]。

2H₂ + O₂ → 2H₂O + 大量能量

大量能量 + 2H₂O → 2H₂ + O₂

由此可见，此过程需要大量的能量输入，使得商业制氢效率低下[48]。如果使用生物媒介分解水来生产氢的话，那么唯一的能量消耗就是太阳辐射了。生物媒介包括细菌，或者更常用的海藻，该过程就是通常所说的生物制氢[49]，其中需要使用单细胞生物通过发酵来产生氢气。在没有氧气参与的情况下，即厌氧环境中，植物有规律的呼吸作用被抑制，取而代之的是一种发酵过程。该过程的主要产物就是氢气。如果我们能大规模应用该技术的话，就可以利用阳光、养分和水来制造氢气，将其作为一种主要能源[50]。大规模生物制氢被证明是困难的，直到1999年才通过硫剥离技术创造了厌氧环境[51]。但由于发酵实质上是一种在高压状态下发生的进化上的倒退，细胞在几天后就会死亡。2000年，研究人员开发了一个两阶段的工艺，能够将细胞放入厌氧环境中并及时拿出，因此细胞可以保持活性[52]。在过去的10年里，研究目标主要是找到将该过程推广使用的方法。在大规模推广使用之前，为了确保其生产效率，一些细致的工作正在进行中，但是，一旦该机制形成，这种生产方式将解决我们的能源需求问题[53]。

海上风电场和普通的风力发电厂相似，但前者是处在海洋中。海上风电场能够被放在40（130英尺）深的水中，浮式风力涡轮机也会相应放在700（2,300英尺）深的水中[54]。浮式海洋风力发电厂的优点在于它能利用来自宽阔海面的海风。没有了山坡、树木和建筑物的阻挡，海风的速度能够达到海岸地区风速的两倍[54][55]。

海上风能已经对欧洲和亚洲的电力供应做出了极大贡献，如今美国第一个海上风力发电厂也已在规划当中。虽然海上风力发电在过去几十年间发展迅猛，特别是在欧洲，但是这些风电厂的修建和运行是否对海洋生物和海洋环境存在影响，还有很大的不确定性。

传统的海上风力发电机是放在近海环境浅水区的海床上，随着海洋风力发电技术的不断成熟，一些悬浮装置开始装备在蕴藏有更多风能的深水区。[56]

海洋流体能源（MHK）或者海海洋能在美国及国际海域的开发项目使用以下设备：

• 宽阔近海大风地区的波浪能转换器；
• 江河入海口的潮汐涡轮机；
• 流速较快水域中的水下汽轮机；
• 洋流强烈水域的洋流涡轮机；
• 赤道深水区的海洋热能转换器。[56]

橡树岭国家实验室的早期（1960年代）钍基“熔盐堆”（MSR）核反应堆

钍是一种可核裂变物质，用于钍燃料发电。钍反应堆的支持者声称其比铀燃料循环有几个潜在的优点，例如如：钍比铀更丰富，能更好地避免核武器扩散[57][58][59]，并能减少钚和其他锕系元素的生产[59]。钍反应堆可以被改造用来产生铀-233，然后可以加工成高浓缩铀；该技术已在低产量武器中测试[60]，但尚未在商业规模上得以验证[61][62]。

2008年，由于油价持续攀升，导致当年美国每加仑普通无铅汽油的平均价格曾一度超过了4美元[70]，因此一些公司一直致力于为顾客开发出更多种更高效的替代燃料车。结果，一些小公司迅速加大对完全采用不同方式驱动汽车的研究开发。混合动力和电动汽车如今已经进入商业化阶段，所占市场份额正在逐步扩大，也越来越得到世界范围内民众的认可[71]。

比如说，日产美国首次批量生产了电动汽车“日产聆风”[72]；一款可充电混合动力车—“雪佛兰沃蓝达”也已经被研发出来，该车使用电动马达驱动，配有一个小型四汽缸引擎来产生额外的电能[73]。

太阳能可用来加热、冷却以及发电。

太阳能供热在主动和被动供热建筑以及区域供热系统中早有使用。后者的实例包括加拿大亚伯达省的德雷克太阳能社区以及在丹麦[79]和德国[80]的许多区域能源系统。在欧洲有两个太阳能供热项目：“太阳能分区供热”（SDH）[81]以及國際能源署的“太阳能加热与冷却”项目（SHC）[82]。

太阳能还未能被广泛应用的原因就在于现在的太阳能技术效率低而且花费高。目前的光伏板只能将所接收阳光的16%转变为电能[83]。

桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室（NREL）都对太阳能研究项目给予了大量资金支持。NREL在太阳能项目上的预算是7500万美元左右[84]，并且在光伏技术、太阳热能、太阳辐射等领域也设有研究课题[85]。桑迪亚太阳能研究部的预算还不清楚，但可以肯定的是，在整个实验室24亿美元的预算中，该项目占有很大比重[86]。

近年来，一些学术项目将太阳能视作重点研究对象。北卡罗来纳州州立大学（UNC）太阳能研究中心（SERC）的唯一目标就是研发出更加高效的太阳能技术。2008年，麻省理工学院的研究人员通过使用太阳能从水中生产氢气燃料来储存太阳能[87]。这些研究意在解开阻碍太阳能发展的有关夜晚无阳光时太阳能储存的相关问题。

2012年2月，德国西门子公司在北卡罗来纳州的一家太阳能开发公司Semprius宣布他们已经研发出世界上效率最高的太阳能板。该公司宣称他们所造的原型太阳能板能够将所接收到阳光的33.9%转化为电能，这比以前最高的转化率高出了两倍多[88]。

风能的相关研究可以追溯到上世纪70年代，当时NASA设计了一款分析模型来预测强风情况下风力涡轮机的发电量[89]。如今，桑迪亚国家实验室和国家可再生能源实验室都设有专门的风能研究项目[90]。桑迪亚的实验室注重材料科技进步、空气动力学和传感器。而NREL则将重点放在提高风力发电量、减少资金投入以及如何让风能的成本效率更高等方面[91]。

加州理工學院的“优化风能现场实验室”（FLOWE）成立的目的就是研究出可能减少当下风电成本，占地面积及环境影响的新技术[92]。

风能、太阳能、生物质能和地热能等可再生能源相结合，在2013年提供了全球最终能源消费量的1.3％[93]。

巴西的甘蔗种植基地，用于生产燃料乙醇

法国的一个热电联产厂，使用废木头供应3万户人家所需的能源

生物质（生物质量，），也即来源于活的或者最近活的生物体的生物物质（某种意义上的生物材料）。它通常是指植物或植物衍生物质，此类物质被特别地称作木质纤维素生物质[94]。生物质作为一种能量来源，既可以直接通过燃烧产生热量，也可以间接将其转化为各种形式的生物燃料。生物质转化为生物燃料的过程，可以由不同的方法实现，大致分为：热的，化学的和生物化学的。木头至今仍然是最大的生物质能源[95]；例子包括森林残留物（如枯死的树木或树枝、树桩），庭院修剪物，木屑，甚至城市的固体垃圾。另一方面，生物质包括多种植物或动物物质，这些物质可以转化成纤维或其他工业化学品，包括生物燃料。工业上，生物质可以通过种植各种植物而得到，包括[96]芒草、柳枝稷、麻、玉米、杨树、柳树、高粱、甘蔗、竹子，和各种各样的树种，从桉树到油棕（棕榈油）。

生物质、生物（沼）气和生物燃料，通过燃烧产生热量和动力，也同时会危害环境。污染物如硫氧化物（SO_x），氮氧化物（NO_x），和颗粒物（PM）都会从燃烧中产生。世界卫生组织估计，每年有700万人的过早死亡是由空气污染造成的[97]，而其中生物质燃烧是一个主要贡献者[97][98][99]。如果使用时间跨度够长，生物质的燃烧是零碳排放的，但其他方面则类似化石燃料的燃烧。

乙醇作为北美洲的主要生物燃料形式，许多机构已经在该领域展开研究。政府方面，美国农业部在美国进行了大量关于乙醇生产的研究，其中大部分都是围绕乙醇生产对国内农产品市场的影响[100]。

国家可再生能源实验室对乙醇项目展开了大量研究，尤其是在纖維素乙醇领域[101]。同传统的以玉米为原料生产的乙醇相比，纖維素乙醇具有更多优势。因为纤维素乙醇可以从树木、杂草或其他植物身上不可食用的部分中生产，所以不必挪用农作物甚至直接与粮食供给竞争[102]。而且，一些研究表明，纤维素乙醇和玉米乙醇相比成本效益更高，经济可持续性更强[103]。桑迪亚国家实验室则开展了内部纤维素乙醇研究[104]，它同时也是联合生物能源研究所（JBEI ）的成员之一，该研究所由美國能源部创建，其目标是开发出纤维素生物燃料[105]。

从1978年到1996年，国家可再生能源实验室在“水生物种计划”中将海藻作为生物燃料进行实验。Michael Brigges在新罕布什爾大學生物燃料研究小组中自行出版的文章中估计，今后所有机动车燃油都将被从含油量超过50%的海藻中生产的生物燃料所取代，而这些海藻，Briggs表示，可以在污水处理厂里的海藻池中培养。这种含油量丰富的海藻可以从该系统中提取出来加工成生物燃料，干化的剩余部分还可以被重复利用来生产乙醇。

利用海藻生产生物燃料所需原油的技术还未能进行商业推广，但是相关可行性研究正在进行中，使产量尽力达到预期产量的最大值。除了高产之外，由于生产过程不需要土地和淡水，藻产业不会像其他以农作物为原料的生物燃油那样引起农作物产量的减少。出于各种原因，多家公司目前正在开发海藻生物反应物，其中就包括将生物燃料的产量扩大到商业范畴[106][107]。

来自不同部门的几个小组正在研究麻风树，一种类似灌木的有毒树种，许多人认为其种子可被当做生物燃料原料油的来源[108]。许多研究都力图通过基因技术、土壤科学和园艺学来提高麻风树总体的亩产量。圣地亚哥的一家麻风树开发商SG生物燃料公司已经利用分子育种和生物科技生产出高产的杂交麻风树种，其产量比第一代的变体产量要高很多[109]。“可持续能源农业中心”（CfSEF）是一家位于洛杉矶的非盈利性研究机构，它致力于在农业科学、农业经济学和园艺学领域内研究麻风树。在这些学科指导下探索的目标是：在接下来的10年内将麻风树种产量提高到原来的两到三倍[110]。

地熱能是通过开发地球内部产生和储存的热能而生产的。它被看做是可持续能源的原因在于其热能总能自动补充[111]。但是，与地热能相关的科技还不成熟，在经济上的可行性也还不强。一些机构，如国家可再生能源实验室[112]和桑迪亚国家实验室[113]的一些研究正在试图建立一门以地热能为核心的科学。德国的一家地球科学研究机构“国际地热研究中心”（IGC）主要就是研究地热能的开发利用[114]。

美国联邦政府在氢燃料的研究和开发上已经投入超过10亿美元[115]。美国国家可再生能源实验室[116]和桑迪亚国家实验室[117]都设有针对氢的研究部门。